(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の物理的な特性を検査する方法において、
前記物体の領域内に２次元又は３次元で局所化された音響振動を前記物体に適用するステップと、
同時に、前記物体を、３０ＴＨｚ以下の範囲の周波数を有する照射電磁波で照射するステップであって、前記音響振動の振動方向が前記照射電磁波の伝播方向に平行な成分を有し、前記領域内の物体の音響振動が照射電磁波の周波数から前記音響振動及びその倍数の周波数だけシフトしたドップラー成分を含む散乱電磁波を生成するステップと、
前記領域において生成された前記散乱電磁波を受信するステップと、
前記受信した散乱電磁波から、前記照射電磁波の周波数から前記音響振動及びその倍数の周波数だけシフトした前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出するステップとを有する方法。
【請求項２】
前記物体は、人間又は動物組織である請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記照射電磁波の周波数の範囲は、１００ＧＨｚ以下である請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記照射電磁波の周波数の範囲は、１００ＭＨｚ以上である請求項１乃至３いずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記照射電磁波の周波数の範囲は、１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚである請求項１乃至４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記音響振動の振動方向及び前記照射電磁波の伝播方向は、平行である請求項１乃至５いずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記散乱電磁波は、前記照射電磁波の伝播方向に平行又は反平行のラインに沿って受信される請求項１乃至６いずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、異なる周波数の音響振動及び／又は異なる周波数の照射電磁波を用いて実行され、前記音響振動及び／又は照射電磁波の異なる周波数に関する前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出する請求項１乃至７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記ドップラー成分の少なくとも１つ特徴は、１つ以上の前記ドップラー成分の振幅又は位相の少なくとも１つを含む請求項１乃至８いずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を導出するステップは、前記照射電磁波と同じ周波数の散乱電磁波の成分からドップラー成分を周波数変調復調するステップを含む請求項１乃至９いずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、物体をイメージングする方法であって、
前記音響振動を適用するステップは、複数の領域において局所化された音響振動を、それぞれの領域において異なる周波数で連続的に又は同時に適用するステップ含み、
前記散乱電磁波を受信するステップは、前記複数の領域のそれぞれにおいて生成された散乱電磁波を受信するステップを含み、
前記データを導出するステップは、前記それぞれの領域について、前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出するステップを含み、
前記方法は、前記それぞれの領域について、前記導出されたデータを画像データとして保存するステップを更に有する請求項１乃至１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記物体に適用される音響振動は、前記物体内の領域内で３次元で局所化される請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記音響振動は、異なる領域内で第１の次元及び第２の次元で空間内で局所化された、同時に伝播する異なる周波数の複数の伝播ビームとして適用される請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
物体の物理的な特性を検査するシステムにおいて、
前記物体の領域内に２次元又は３次元で局所化された音響振動を前記物体に適用するように構成された音響変換装置と、
前記音響振動の適用と同時に、前記物体を、３０ＴＨｚ以下の範囲の周波数を有する照射電磁波で照射し、前記音響振動の振動方向が前記照射電磁波の伝播方向に平行な成分を有し、前記領域内の物体の音響振動が照射電磁波の周波数から前記音響振動及びその倍数の周波数だけシフトしたドップラー成分を含む散乱電磁波を生成するように構成された送信構成と、
前記領域内で生成された散乱電磁波を受信するように構成された受信構成と、
前記受信した、前記領域内で生成された散乱電磁波から、前記照射電磁波の周波数から前記音響振動及びその倍数の周波数だけシフトした前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出するように構成された信号処理装置とを備えるシステム。
【請求項１５】
前記照射電磁波の周波数の範囲は、１００ＧＨｚ以下である請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記照射電磁波の周波数の範囲は、１００ＭＨｚ以上である請求項１４又は１５記載の方法。
【請求項１７】
前記照射電磁波の周波数の範囲は、１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚである請求項１４乃至１６いずれか１項記載のシステム。
【請求項１８】
前記音響振動の振動方向及び前記照射電磁波の伝播方向は、平行である請求項１４乃至１７いずれか１項記載のシステム。
【請求項１９】
前記散乱電磁波は、前記照射電磁波の伝播方向に平行又は反平行のラインに沿って受信される請求項１４乃至１８いずれか１項記載のシステム。
【請求項２０】
前記音響変換装置は、異なる周波数の音響振動及び／又は異なる周波数の照射電磁波を適用するように構成されており、信号処理装置は、前記音響振動及び／又は照射電磁波の異なる周波数に関する前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出するように構成されている請求項１４乃至１９いずれか１項記載のシステム。
【請求項２１】
前記ドップラー成分の少なくとも１つ特徴は、１つ以上の前記ドップラー成分の振幅又は位相の少なくとも１つを含む請求項１４乃至２０いずれか１項記載のシステム。
【請求項２２】
前記信号処理装置は、前記照射電磁波と同じ周波数の散乱電磁波の成分からドップラー成分を復調するように構成された周波数変調復調器を含む請求項１４乃至２１いずれか１項記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムは、イメージングシステムであり、
前記音響変換装置は、複数の領域において局所化された音響振動を、それぞれの領域において異なる周波数で連続的に又は同時に適用するように構成されており、
前記受信構成は、前記複数の領域のそれぞれにおいて生成された散乱電磁波を受信するように構成されており、
前記信号処理装置は、前記それぞれの領域について、前記ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出し、前記それぞれの領域について、前記導出されたデータを画像データとして保存するように構成されている請求項１４乃至２２いずれか１項記載のシステム。
【請求項２４】
前記音響変換装置は、前記物体内の領域内で３次元で局所化される音響振動を適用し、第１及び第２の次元の空間内で局所化され、伝播するにつれて異なる領域及び異なる時間で第３の次元で局所化されるパルスとして前記音響振動を適用するように構成されている請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記音響変換装置は、前記物体内の領域内で３次元で局所化される音響振動を適用するように構成され、
前記音響変換器のアレイは、前記物体内の領域に３次元で局所化される前記音響振動を適用するように構成される前記音響変換装置であって、異なる領域で第１の次元及び第２の次元で空間内で局所化され、伝播するにつれて異なる領域及び異なる時間で第３の次元で局所化される異なる周波数の複数の伝播ビームとして適用するように構成される請求項２４記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の物理的特性の検査に関する。本発明は、イメージングの分野に応用されるが、これに限定されるわけではない。
【背景技術】
【０００２】
物体の物理的特性を検査するための様々な方法が知られている。例えば、物体の物理的特性を表す物体の画像を生成する様々なイメージング技術がある。例えば、医療用イメージングの分野で確立され、広く使用されているイメージング法には、Ｘ線ラジオグラフィ、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）、超音波イメージング、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、陽電子放射トモグラフィ（positron emission tomographyＰＥＴ）が含まれる。
【０００３】
異なるイメージ法は、異なる物理的現象に基づいている。例えば、Ｘ線ラジオグラフィ及びコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）では、Ｘ線が物体と相互作用し、超音波イメージングでは、超音波が物体と相互作用する。この結果、異なるイメージング技術は、イメージングされる物体の異なる物理的特徴の画像を生成する。したがって、異なるイメージング技術は、異なる利点及び制約を有する。一例として、一般的な医療用イメージング方法である超音波イメージング及びＭＲＩを比較すると、これらはいずれも比較的高い解像度の画像を提供するが、超音波イメージングは、音響特性又は機械特性の画像を提供し、ＭＲＩは、電磁特性の画像を提供する。したがって、ＭＲＩは、幾つかの物体のイメージングには、より有用であるが、逆に、強力な磁場を必要とする問題を有している。
【０００４】
同様に、異なる物理的現象に基づく様々な分光技術（spectroscopic techniques）がある。このような分光技術は、必ずしも画像を生成するわけではなく、例えば、電磁放射について、ある範囲の周波数又は波長に関するデータを提供する。
【０００５】
このような異なるイメージング技術及び異なる分光技術は、異なる物理的現象に基づいているため、物体において注目される特徴の性質に応じて、異なる用途を有する。
【０００６】
本発明は、物体の物理的特性を検査するための技術であって、このような確立された技術とは異なる技術に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面では、物体の物理的な特性を検査する方法を提供し、この方法は、物体の領域内に２次元又は３次元で局所化された音響振動を物体に適用するステップと、同時に、物体を、３０ＴＨｚ以下の範囲の周波数を有する照射電磁波で照射するステップであって、音響振動の振動方向が照射電磁波の伝播方向に平行な成分を有し、領域内の物体の音響振動が照射電磁波の周波数から音響振動及びその倍数の周波数だけシフトしたドップラー成分を含む散乱電磁波を生成するステップと、領域において生成された散乱電磁波を受信し、受信した散乱電磁波から、ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを導出するステップとを有する。
【０００８】
本発明の更なる側面では、同様の方法を実現するシステムを提供する。
【０００９】
このように、本発明は、３０ＴＨｚ以下の範囲の周波数で物体を照射する、テラヘルツ帯域以下の電波である電磁波を物体の音響振動が散乱させ、変調する物理的現象に基づいて、物体の物理的特性の検査を提供する。本発明は、例えば、医療用イメージングの分野等、人間又は動物の組織である物体に有利に適用される。但し、本発明は、この分野に制限されず、他の分野の様々な物体に適用できる。
【００１０】
照射電磁波の伝播方向に平行な成分を有する音響振動の振動方向によって、散乱電磁波は、照射電磁波の周波数から、音響振動及びその倍数の周波数だけシフトしたドップラー成分を含む。このようなドップラー成分の特徴は、検出される。検出された特徴は、適用された音響振動に対する、その領域における物体の機械的応答及び照射電磁波と相互作用を引き起こす、その領域における物体の電磁特性に依存している。したがって、検出される特徴は、磁場を必要とすることなく、ＭＲＩイメージングと同様の電磁特性に関する情報を提供する。
【００１１】
本発明を適用して、物体のイメージングを行うことができる。この場合、音響振動は、複数の領域で、局所化されて適用され、複数の領域のそれぞれで生成される散乱電磁波を受信し、これを用いて、各領域についてのドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを画像データとして導出する。
【００１２】
このように、同時に適用され、局所化された音響振動及び電磁波があり、音響振動は、物体の領域内で２次元又は３次元で局所化されるので、検出される全てのドップラー成分（照射電磁波の周波数から音響振動又はその倍数の周波数だけシフトしている。）は、その領域の音響振動との相互作用によって生成されたことが既知である。これにより、複数の領域について画像データを生成することができ、この結果、物体の物理的特性に関する情報を表す画像を構築することができる。音響振動が２次元で局所化される場合、領域は、第３の方向に広がり、したがって、画像は、２次元画像（又はシャドウ画像）である。音響振動が３次元で局所化される場合、領域は、この第３の方向においても限定され、３次元画像を導出することができる。
【００１３】
音響振動は、複数の領域において連続的に局所化して適用してもよい。この場合、音響振動は、同じ周波数を有していてもよく、これによって方法の実現を簡素化できるが、これは、必要条件ではない。
【００１４】
これに代えて、音響振動は、各領域において異なる周波数を用いて、複数の領域で同時に局所化して適用してもよい。この場合、各領域から散乱する電磁波は、異なる周波数を有し、ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータは、各領域について、個別に導出することができる。
【００１５】
局所化は、既知の超音波イメージング技術と同様の手法で達成してもよい。例えば、２次元で局所化された音響振動を適用するために、音響振動をビームとして適用してもよく、又は３次元で局所化された音響振動を適用するために、音響振動を３次元で連続的に局所化されたスポットとして適用してもよく、２次元で空間内で局所化され、音響振動が伝播しながら、異なる時刻において、伝播方向に沿って局所化されるパルスビームとして適用してもよい。これは、イメージングの解像度が、超音波イメージングによって達成される解像度と同様に、音響振動の波長に基づいて達成可能な局所化によって制限されることを意味する。
【００１６】
また、本発明を用いて、物体のイメージングを提供することなく、単一の領域のみに音響振動を適用してもよい。この場合でも、導出される物体の物理的特性の情報は、上述したような物理的現象に基づいているので、有用である。
【００１７】
オプションとして、及び特定の利点として、単一の領域のみに音響振動を適用する場合、この方法は、複数の異なる周波数の音響振動及び／又は複数の異なる周波数の照射電磁波を用いて実行してもよい。この手法により、音響振動及び／又は照射電磁波の異なる周波数について、ドップラー成分の少なくとも１つの特徴を表すデータを取得することができる。この場合、本発明は、分光技術として実現され、物体の性質に関するより有用な特徴情報が得られるため、幾つかの物体について有用である。
【００１８】
これらの特性は、以下に限定されるものではないが、医療用イメージング等、人間又は動物の組織に適用した場合、本発明のイメージングが従来のイメージング法に比べて有利であることを意味する。
【００１９】
以下、更なる理解のために、添付の図面を参照しながら、非限定的な具体例として、本発明の実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】イメージングシステムを示す図である。
【図２】ａ〜ｃは、音響振動、照射電磁波及び散乱電磁波の周波数スペクトルのグラフ図である。
【図３】イメージングシステムの音響変換装置の斜視図である。
【図４】音響変換装置の駆動回路を示す図である。
【図５】駆動回路のビーム形成回路を示す図である。
【図６】音響変換装置の変換器の斜視図である。
【図７】マンモグラフィに適用されたイメージングシステムの斜視図である。
【図８】全身スキャナとして適用されたイメージングシステムの斜視図である。
【図９】ハンドヘルド音響変換装置を用いて適用されたイメージングシステムの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
まず、図１に示すように、物体２の物理的特性を検査するためのシステム１について説明する。例えば、医療用イメージングの分野では、物体２は、人間又は動物の組織であってもよい。但し、本発明は、この分野に限定されるわけではなく、他の分野の様々な物体に適用できる。
【００２２】
システム１は、システム１の他のコンポーネントを制御する制御ユニット３を含む。制御ユニット３は、適切なプログラムを実行するコンピュータ装置によって実現してもよい。
【００２３】
システム１は、制御ユニット３の制御の下で動作する音響変換装置（acoustic transducer apparatus）４を含む。音響変換装置４は、その動作において、物体２に音響振動を適用する。音響振動は、物体２内の所与の位置における領域５内で局所化される。いずれも図１に示す代替例として、音響振動は、音響振動の伝播方向に垂直な方向で制限されるが、伝播方向に沿って広がる領域５ａ（破線によって示す）内で２次元で局所化してもよく、又は伝播方向に沿って制限される領域５ｂ（点線によって示す）内で３次元で局所化してもよい。音響振動の局所化は、後に更に詳細に説明するように、従来の設備を用いて達成してもよい。音波の伝播の方向に沿って３次元で局所化を行う場合、音響振動は、音波が伝播する際に瞬間的にのみ局所化してもよい。例えば、医療用イメージング等の多くの応用分野において、音響振動は、超音波である。
【００２４】
最も単純な実施の形態では、音響振動は、所与の時刻に、単一の位置で局所化され、この位置は、複数の異なる領域５において連続的に、音響振動が領域５に適用されるように、物体２上で走査される。このような走査は、制御可能な焦点又はビームを有する音響変換装置４を用いて実行してもよく、又はこれに代えて、例えば、機械的移動機構を用いて、固定された焦点又はビームと共に音響変換装置４を物理的に移動させることによって実行してもよい。走査は、１次元で行ってもよく、２次元で行ってもよく、３次元で行ってもよい。
【００２５】
より複雑な実施の形態では、音響振動は、同時に複数の位置における領域５において局所化されるが、この場合、後述するように、音響振動は、異なる位置で異なる周波数を有する。
【００２６】
検出を容易にするため、音響振動は、単一の周波数が支配的である。但し、音響振動は、包括的に、ある程度の幅の周波数の帯域を含んでいてもよい。
【００２７】
また、システム１は、制御ユニット３によって制御される無線周波数源７に接続された送信アンテナ６を含む送信構成を有する。送信構成は、その動作において、照射電磁波（illuminating electromagnetic wave）によって物体２を照射し、照射電磁波は、無線周波数を有し、及び理想的には一様に、検査中の物体２の体積の全体を覆う十分広いビームを有する。照射電磁波は、パルスではなく、連続波であることが望ましい。この場合、照射電磁波は、少なくとも、散乱ドップラー成分（scattered Doppler components）を受信することによって音波との相互作用が監視される期間に亘って、一定の振幅及び周波数を有する。
【００２８】
検出を容易にするため、照射電磁波は、単一の周波数が支配的であるが、照射電磁波は、一般的には、ある程度の幅の周波数の帯域を含むことがある。照射電磁波の周波数は、音響振動の周波数より、少なくとも１桁高いことが好ましい。
【００２９】
照射電磁波は、物体２によって散乱される。領域５内では、音響的に振動する物体２と、照射電磁波との間に相互作用が生じ、領域５内に物体２の音響振動が引き起こり、散乱電磁波が変調される。具体的には、生成される散乱電磁波は、照射電磁波の周波数における成分と、照射電磁波の周波数から、音響振動及びその倍数の周波数だけシフトした周波数におけるドップラー成分とを含む。
【００３０】
これは図２（ａ）〜図２（ｃ）に示されており、これらの図は、それぞれ、音響振動、照射電磁波及び散乱電磁波の周波数スペクトルのグラフである。この場合、音響振動及び照射電磁波は、それぞれ、ｆａ及びｆｅの単一の周波数を有する。散乱電磁波は、照射電磁波の周波数ｆｅの中心成分を有する。また、散乱電磁波は、ｎを整数として、周波数ｆｅ±ｎ．ｆａにおいて、すなわち、照射電磁波の周波数ｆｅから音響振動の周波数ｆａ及びその倍数だけシフトしたドップラー成分（側波帯）を有する。図２（ｃ）は、両側に３個のドップラー成分を有する具体例を示しているが、一般的には、物理的相互作用によって、幾つのドップラー成分があってもよい。
【００３１】
ドップラー成分を含む散乱電磁波の生成の背景にある物理的現象は、電気的特性、例えば、導電率及び誘電率が異なる物体２内のエリア（より一般的に言えば、電気的特性が変化するエリア）の間の境界が照射電磁波を散乱させ、これらの境界の振動が散乱波を変調することである。したがって、照射電磁波の周波数を有する中心成分は、静止している場合の物体２の散乱に対応し、ドップラー成分は、物体２の振動によって生成されると考えてもよい。
【００３２】
実際、一般的な振動する物体についてのこの物理的現象自体は、既知であり、例えば、「Lawrence et al., "Electromagnetic Scattering from Vibrating Penetrable Objects Using a General Class of Time-Varying Sheet Boundary Conditions", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, No. 7, pp. 2054-2061, July 2006」に説明されている。但し、この文献は、振動する金属の誘電体によって散乱される電磁波について考察しているのみであり、振動がどのように発生するかについては考察していない。一方、本発明では、音響振動を局所化して領域５に適用し、これは、散乱電磁波内で検出されたいずれのドップラー成分も、領域５で生成されたことが既知であることを意味している。これに基づき、システム１は、ドップラー成分を用いて、領域５の位置における物体２に関する情報を提供する。詳しくは、検出されたドップラー成分は、音響振動に対する領域５の位置における物体２の機械的応答（コンプライアンス）に依存し、及び領域５の位置における物体２の電気的特性にも依存する。異なる位置における領域５に音響振動を適用することによって、物体２の画像を構築することができる。
【００３３】
また、システム１は、制御ユニット３によって制御される信号処理装置９に接続された受信アンテナ８を含む受信構成を有する。受信アンテナ８は、その動作において、散乱波を受信し、信号処理装置９は、これを解析してドップラー成分を検出し、ドップラー成分の位相及び振幅、又は包括的にドップラー成分の他の特徴を導出する。
【００３４】
図１では、音響変換装置４及び送信アンテナ６が互いに隣接し、音響振動及び電磁波の伝播方向が同じであるように示しているが、これは必要条件ではなく、他の構成については後述する。一般化して言えば、音響変換装置４及び送信アンテナ６の相対的な位置は、音響振動の振動方向が照射電磁波の伝播方向に平行な成分を有するように選択される。これによって、ドップラー散乱が生じる。
【００３５】
散乱ドップラー成分の大きさは、音響振動の振動方向が照射電磁波の伝播方向に平行であるときに最大になる。振動方向は、音響振動の伝播方向に平行であり、したがって、これは、音響振動及び照射電磁波が平行又は反平行（antiparallel）の方向を有することに対応している。この理由は、照射電磁波の伝播方向に沿って分解される領域５の機械的移動が、この方向で最も大きく、バルク材料の機械的変形のために他の方向に生じる可能性がある二次的な動きを無視するためである。音響振動の方向と照射電磁波の伝播方向との間に角度αがあれば、照射電磁波の伝播方向に沿って分解される音響振動の速度は、ｃｏｓ（α）に比例して低下する。これには、散乱ドップラー成分の大きさがｃｏｓ（α）に比例して同様に減少する効果がある。これは、事実上、音響振動の振動方向が、照射電磁波の伝播方向に対して垂直であるべきではなく、平行であることが好ましいことを意味しているが、角度αが大きくても、ドップラー成分が観測されることはある。
【００３６】
音響変換装置４及び送信アンテナ６を互いに隣接するように配置して、音響振動の方向が照射電磁波の伝播方向に対して平行になるように設定してもよい。厳密に平行な状態は、音響変換装置４及び送信アンテナ６の物理的な体積によって課される制約によって制限されるが、ドップラー散乱を最大化するという実用的な目的のために十分な程度に平行に近くなるように配置することはできる。これに代えて、送信アンテナ６を、音響変換装置４に対して物体２の反対側に配置してもよい。
【００３７】
受信アンテナ８は、通常、電磁波の伝播方向及び音響振動の振動方向に対して如何なる角度に配置してもよい、この理由は、散乱ドップラー成分が原理的に如何なる方向にも散乱する可能性があるためである。散乱の方向は、領域５における物体２の物理的特性に依存する。
【００３８】
散乱電磁波は、照射電磁波の伝播方向に平行又は反平行のラインに沿って受信することが有利であり、これは、通常、これらの方向において、散乱が強いためである。照射電磁波の伝播方向に反平行なラインに沿った受信は、送信アンテナ６及び受信アンテナ８を互いに近接して配置すること（これらの物理的な体積によって課される制約に規制される）又は検出されたドップラー成分を処理する回路から周波数源７を分離する適切な回路（方向性カプラ等）に接続された共通のアンテナに置換することによって達成してもよい。
【００３９】
なお、散乱電磁波は、他の方向において受信してもよい。散乱電磁波は、複数の方向において受信することが有利である。散乱の方向は、散乱を引き起こす物体２の物理的特性に依存するので、これによって、領域５における物体２の性質に関する追加的情報を提供できる。
【００４０】
信号処理装置９は、増幅器１０、周波数変調（frequency-modulation：ＦＭ）復調器１１及びデジタル信号プロセッサ１２を含む。
【００４１】
増幅器１０は、受信アンテナ８が受信した信号を、受け取り、増幅する。増幅器１０によって出力された増幅された信号は、ＦＭ復調器１１に供給され、ＦＭ復調器１１は、散乱波のドップラー成分の位相及び振幅を導出するように構成されている。領域５の振動による照射電磁波の変調は、主として周波数変調であるので、ＦＭ復調器１１は、従来のＦＭ技術を用いて、ドップラー成分の位相及び振幅等の特徴を導出してもよい。ＦＭ復調を行うために、ＦＭ復調器１１には、周波数源７からの照射電磁波の信号及び音響変換装置４からの音波の信号が供給される。
【００４２】
所与の位置における領域５の音響振動が単一の周波数である場合、ＦＭ復調器１１は、ドップラー成分内の音波の周波数を検出するように構成されたコヒーレント検出器を含んでいてもよい。
【００４３】
増幅器１０及びＦＭ復調器１１は、通常、アナログ回路によって構成されるが、これに代えて、デジタル回路を用いてもよい。
【００４４】
ＦＭ復調器１１によって導出されたドップラー成分の位相及び振幅は、デジタル信号プロセッサ１２に供給され、デジタル信号プロセッサ１２は、ドップラー成分のこれらの特徴を処理する。ＦＭ復調器は、照射電磁波の周波数から音響振動の周波数及びその倍数の周波数だけシフトした周波数におけるドップラー成分の特徴を検出するので、これらの特徴は、音響振動の現在の位置において、物体２の領域５から導出されたものであることが既知である。制御ユニット３は、デジタル信号プロセッサ１２に、音響振動の現在の位置を特定する情報を供給する。デジタル信号プロセッサ１２は、物体２上で各位置を走査しながら、各位置において検出された特徴を表す画像データ１３を保存する。画像データ１３は、保存、表示、及び／又は信号処理装置９から出力してもよい。
【００４５】
デジタル信号プロセッサ１２は、位相及び振幅、又は他の特徴の実際に導出された値のみを保存してもよい。上述したように、これらは、異なる位置における物体２の特性によって変化し、したがって、更なる処理がなくても、有用な画像を提供する。
【００４６】
オプションとして、デジタル信号プロセッサ１２は、音響振動及び照射電磁波との間の相互作用のモデルに基づいて、位相及び振幅、又は他の特徴の実際に導出された値を更に処理して、物体２の特定の物理的特性を表す特徴を導出してもよく、これも、画像データ１３として、保存される。このような処理によって、物体２の特性に関して、位相及び振幅自体より有用な情報を提供できることがある。例えば、医療用イメージングの場合、このような処理を用いて、既知の電磁応答を有する代謝物種（metabolite species）を特徴付けてもよい。
【００４７】
デジタル信号プロセッサ１２は、適切なプログラムを実行するコンピュータ装置によって実現してもよく、これは、制御ユニット３を実現するために用いられるコンピュータ装置と同じコンピュータ装置であってもよい。
【００４８】
ドップラー成分は、領域５の音響振動によって引き起こされる相互作用から生成されるので、画像データ１３の解像度は、音響変換装置５によって達成される音響振動の局所化の度合いによって画定される領域５のサイズに等しい。したがって、解像度は、超音波イメージングと同様に、音波の波長に依存している。したがって、このイメージング技術は、超音波イメージングによって達成される解像度と同様の解像度を達成できる。例えば、解像度は、非常に高い超音波音響周波数では、１ｍｍ未満になることがある（大まかに言えば、１ｍｍの解像度は、１ＭＨｚの周波数に対応し、１００μｍの解像度は、１０ＭＨｚの周波数に対応し、１μｍの解像度は、１００ＭＨｚの周波数に対応する）。
【００４９】
一方、この画像コントラストメカニズムは、超音波イメージングとは異なり、上述したように、音響振動と照射電磁波の振動との間の物理的相互作用に依存し、音響振動に対する物体２の機械的応答（コンプライアンス）及び物体２の電気的特性に関する情報を提供し、例えば、磁場を必要とすることなく、ＭＲＩと同様の情報を提供する。したがって、このイメージング技術は、他のイメージング形式の代替とみなすことができる。
【００５０】
このイメージング技術は、音響振動及び照射電磁波の周波数の適切な選択によって、様々な分野におけるイメージング、例えば、物体２が人間又は動物の組織である医療用イメージングに適用できる。
【００５１】
照射電磁波は、３０ＴＨｚ以下、すなわちテラヘルツ帯域又はそれ以下、３００ＧＨｚ以下、すなわちマイクロ波周波数又はそれ以下に対応するＥＨＦ（Extremely High Frequency）帯域又はそれ以下、又は幾つかの応用分野では、１００ＧＨｚ以下に亘る範囲の周波数を有する電波である。物体２が人間又は動物の組織である場合、この範囲は、１００ＧＨｚ以下であることが有利である。これは、物体２における相互作用が、ＭＲＩイメージングと同様に、物体２の電磁特性に関する情報を提供することを意味する。多くの用途では、この範囲は、１００ＭＨｚ以上である。
【００５２】
音波の周波数は、解像度を制御し、したがって、イメージングされる物体２内において関心がある特徴に関して所望の解像度を達成するように十分高くなるように選択される。音波の周波数は、例えば、音響変換装置４によって達成可能な周波数及びイメージングされる物体２の音波の透過等、従来の超音波イメージングと同様の実用上の制約を受けることがある。実例として、イメージングされる物体２が人間又は動物の組織である場合、例えば、医療用イメージングの分野では、音波の周波数は、通常、１０ＭＨｚ以下及び／又は１ＧＨｚ以上の範囲であってもよい。このような周波数は、超音波であるが、包括的に言えば、幾つかの応用分野では、原理的には、可聴範囲の音響周波数を用いることもできる。
【００５３】
物体２は、異なる周波数において異なる応答を有することがある。したがって、複数の異なる周波数の音響振動及び／又は複数の異なる周波数の照射電磁波によってイメージングを実行してもよい。音響周波数を調整しながらシステム１の動作を繰り返すことによって異なる時刻に異なる周波数を適用してもよい。これに代えて、同じ又は異なる領域５に異なる周波数を同時に適用してもよい。この手法では、音響振動及び／又は照射電磁波の異なる周波数に対応する情報を得ることができ、したがって、この技術は、分光技術（spectroscopic technique）である。これにより、物体２の性質に関するより有用な特徴情報が得られる。
【００５４】
物体２における照射電磁波の吸収の度合いは、周波数と共に増加する。したがって、物体２の全体のイメージングを可能にするため、物体２への吸収が十分低くなるように、照射電磁波の周波数を十分低く選択する。
【００５５】
次に、音響変換装置４及びその様々な変形例について説明する。
【００５６】
上述したように、音響変換装置４は、所与の時刻に領域５において局所化される音響振動を提供し、これは、伝播方向に広がる領域５ａにおいて２次元で局所化してもよく又は伝播方向内で制限される領域５ｂにおいて３次元で局所化してもよい。これは、制御可能な焦点又は固定焦点を提供できる従来の装置を用いて達成してもよい。
【００５７】
図３は、可能な構成を示しており、ここでは、音響変換装置（acoustic transducer apparatus）４は、領域５において、電子的に制御可能な焦点を提供する変換器（transducer）２０のアレイを含む。この場合、変換器２０のアレイによって出力される音波は、伝播ビーム（propagating beam）であってもよい。超音波イメージングの分野で知られているように、このようなビーム形成により、高エネルギ焦点を所望の位置に形成することができる。この方法では、これは、散乱電磁波の大部分が焦点の領域５に関する情報を含むことを意味する。
【００５８】
変換器２０のアレイは、２次元の局所化を提供するために、音響振動を連続ビームとして適用し、音響振動が、伝播ビーム内の空間内で、伝播の方向に垂直な２次元で局所化されるようにしてもよい。変換器２０のアレイは、３次元の局所化を提供するために、音響振動を連続的ではないビームとして適用し、音波を伝播しながら、音響振動が、伝播の方向の第３の次元に沿って瞬間的に局所化されるようにしてもよい。伝播ビームは、所与の時刻に、単一の領域５に局所化されたパルスであってもよく、この領域５は、時間と共に、物体２を介して移動する。これに代えて、伝播ビームは、異なる周波数の音響振動が異なる領域５において同時に局所化されるように周波数を変化させてもよい。この場合、制御ユニット３がデジタル信号プロセッサ１２に供給する情報は、伝播ビームのタイミングを示し、これによって、音響振動の現在の位置を特定する。
【００５９】
伝播ビームが変化する周波数を有する場合、１つのオプションとして、信号処理装置９は、受信した散乱信号を時間領域に変換するフーリエ変換又は他の変換を実行するように構成してもよい。異なる領域５で同時に局所化される音響振動の異なる周波数のために、このような変換は、異なる領域５のそれぞれに関する特徴情報を生成する。この手法によって、「動画」を構築することができ、時間の関数としての画像を、非常に高い時間的／空間的解像度で表示することができる。
【００６０】
伝播ビームを形成するために、音響変換装置４は、各変換器２０に別個の駆動信号を供給する駆動回路２１を含み、この駆動信号は、振幅及び／又は位相及び／又は遅延が変化し、所望の領域５に焦点を形成する。図４に示すように、駆動回路２１は、所望の周波数の発振信号をビーム形成回路２３に提供する周波数源２２を含む。ビーム形成回路２３は、振幅及び／又は位相及び／又は遅延を変更することによって、各変換器２０について、発振信号から信号を導出する。ビーム形成回路２３は、制御ユニット３の制御の下で動作し、所望の領域５に焦点を提供する。また、駆動回路２１は、各変換器２０のために、ビーム形成回路２３が出力する信号を増幅し、駆動信号を生成し、各変換器２０に供給する増幅器２４を含む。
【００６１】
ビーム形成回路２３は、発振信号を変更するために、プログラミング可能な増幅器（又は減衰器）及び／又は移相器及び／又は遅延器を含んでいてもよい。例えば、ビーム形成回路２３は、変換器のそれぞれについて、図５に示すようなクワドラチャ構成（quadrature arrangement）を採用してもよい。このクワドラチャ構成は、それぞれ周波数源２２から発振信号が供給されるＩチャネル２５及びＱチャネル２６を含む。Ｉチャネルは、Ｉチャネル２５及びＱチャネル２６の信号が直交するように、発振信号を位相遅延させるπ／２位相遅延器２７を含む。Ｉチャネル２５及びＱチャネル２６は、それぞれ、減衰器２８、２９を含み、これらの出力は、加算器３０に供給され、ここで、減衰された直交信号が加算される。各減衰器２８、２９が行うそれぞれの減衰の度合いを制御して、加算器３０が出力する信号の振幅及び位相を変化させてもよい。オプションとして、加算器３０が出力するこの信号を可変遅延回路３１に供給し、これを変化させて、駆動信号の遅延を制御してもよい。
【００６２】
各変換器２０は、図６に示すように、圧電材料（又は他の電気活性材料）のピース４３によって形成してもよい。駆動回路２１からの駆動信号は、圧電材料のピース４３に亘って印加され、ピース４３は、これに応じて振動して、音波を発生させる。圧電材料のピース４３は、ここでは円筒状に示しているが、発生した音波を方向付けるように形成してもよい。
【００６３】
図３では、変換器２０のアレイを２次元平面アレイとして示しているが、一般化して言えば、これに代えて、例えば、１Ｄ直線又はコンフォーマルアレイ、曲線又はコンフォーマル２Ｄアレイ、３Ｄアレイ又は物体２の異なる側に対応する複数のアレイ等、任意の如何なる形式のアレイを用いてもよい。
【００６４】
ビームを形成することに代えて、変換器２０のアレイを含むこの音響変換装置４は、音響振動を、空間内で３次元で継続的に局所化されるスポットとして適用してもよい。
【００６５】
変換器２０のアレイを含むこの音響変換装置４を用いて、音響振動が局所化される領域５の位置を、電子制御の下で物体２上で走査し、異なる領域５に関する情報を導出し、これによって、物体の画像２を構築してもよい。
【００６６】
音響振動が２次元で局所化される場合、画像は、画素が、音響振動の伝播方向に沿って、物体２を介して広がる領域５ａの全体からの情報を含む２次元画像（又はシャドウ画像）である。この場合、検査される物体２の周りで音響変換装置４及び送信アンテナ６を移動させ、異なる入射角度から一連の画像を取ることによって３次元画像を構築できる。そして、従来の他のタイプのイメージング、例えば、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）スキャニングと同様の変換を用いて、一連の画像を３次元画像に変換してもよい。
【００６７】
音響振動が３次元で局所化される場合、領域５ｂを３次元的に走査することによって３次元画像を導出してもよい。
【００６８】
また、このような走査は、固定焦点を有する音響変換装置４を用いて、音響変換装置４を物理的に移動させることによっても達成できる。
【００６９】
上述したように、最も単純な実施の形態では、音響振動は、所与の時刻に単一の領域５において局所化され、音響振動は、複数の異なる位置における領域５に連続的に適用される。
【００７０】
より複雑な実施の形態では、音響振動は、同時に異なる位置で、複数の領域５内で局所化される。この場合、音響振動は、異なる領域５において異なる周波数を有する。
【００７１】
オプションとして、上述のように変換器２０のアレイを含むが、周波数が異なる複数の伝播ビームを同時に生成するように変更された音響変換装置４を用いてもよい。これは、使用される異なる周波数のそれぞれに関して上述した駆動回路２１の回路を繰り返すことによって達成できる。各周波数についての駆動信号は、加算して、各変換器２０に供給してもよい。
【００７２】
音響振動は、異なる領域５において異なる周波数を有するので、散乱電磁波は、異なる領域５において生成された異なる周波数のドップラー成分を有し、これらのそれぞれは、照射電磁波の周波数から、音響振動（及びその倍数）の異なる周波数だけシフトされた周波数を有する。したがって、信号処理装置９は、異なる位置の領域５において生成されたことが既知である異なるドップラー成分の特徴を検出及び導出するように構成される。これは、上述のように構成されているが、各音響周波数毎にＦＭ復調器１１が設けられた信号処理装置９によって達成できる。このようにして、複数の領域５に関して、ドップラー成分の特徴、したがって、画像データ１３を同時に導出することができる。このようにして、複数の領域５を同時にイメージングしてもよく、これは、異なる周波数のドップラー成分を区別する信号処理装置９の能力によって制約される。
【００７３】
幾つかの構成では、複数の領域５が同時にイメージングされ、領域５を走査することなく画像を導出することができる。他の構成では、複数の領域５が同時にイメージングされた後、領域５が走査され、物体２の他の領域がイメージングされる。例えば、ある特定の実施の形態では、物体２を介して伝播する、１Ｄ（又は２Ｄ）アレイに編成された複数の伝播ビームを用いて、１Ｄ（又は２Ｄ）スライスを同時にイメージングして、連続するスライスをイメージングし、これによって、例えば、産科超音波診断（obstetric sonography）で採用されているような従来の医療用超音波イメージングと同様に、２Ｄ（又は３Ｄ）画像を構築してもよい。
【００７４】
これに代えて、システム１は、物体２に亘るイメージングを提供することなく単一の領域５における物体２の特性を検査するように構成してもよい。この場合、音響振動は、単一の領域５のみに適用される。これは、上述のように、システム１を用いて、但し、制御ユニット３で実行される制御を変更して達成される。これに代えて、走査が不要なので、例えば、固定焦点を有する音響変換装置４を用いて、システム１を簡素化してもよい。
【００７５】
上述のように、単一の領域５において物体２の特性を検査する場合、複数の異なる周波数の音響振動及び／又は複数の異なる周波数の照射電磁波を使用することが特に有利である。複数の異なる周波数は、異なる時刻に適用してもよく、同時に適用してもよい。異なる周波数を同時に適用する場合、システム１は、幾つかのイメージングの実現例において必要とされるように、異なる周波数を用いて異なる位置の領域５に関する情報を取得する必要がなく、広い範囲に亘る複数の周波数を同時に検査するように調整できる。
【００７６】
システム１のサイズ及び詳細な構造は、応用分野に依存する。例えば、医療用イメージングで使用する場合、システム１は、音響変換装置４が従来の超音波イメージング装置における超音波ヘッドと同様である専用のデバイスとして実現してもよい。この場合、送信アンテナ６及び受信アンテナ８は、同じ超音波ヘッドに統合してもよい。
【００７７】
オプションとして、システム１には、音響変換装置に接続され、各領域５から反射した音波を受信して、信号処理装置９による画像データ１３の導出と共に、音響画像データ１５を導出するように構成された音響システム１４を更に組み込んでもよい。音響システム１４は、従来の超音波イメージング装置として構成してもよく、したがって、この方法は、従来の超音波イメージングに統合することができる。音響画像データ１５及び画像データ１３は、例えば、従来の画像位置合わせ技術を用いて、空間的及び時間的に互いに位置合わせされ、これにより、システム１は、２つの異なる種類の画像を生成することができる。これは多くの分野において、例えば、動的な診断及び監視のためのリアルタイムシステムとして有利である。
【００７８】
同様に、システム１は、超音波処理システムに統合してもよく、これによって、治療の間、物体２の状態を監視することができる。
【００７９】
物体２が人間の組織である医療用イメージングの分野において、異なる用途に応用されるシステム１の幾つかの具体例を図７〜図９に示す。いずれの具体例においても、送信アンテナ６及び受信アンテナ８は、送信信号及び受信信号を分離する方向性カプラ１７を介して無線周波数源７及び信号処理装置９に接続された共通アンテナ１６に置き換えられている。
【００８０】
図７は、物体２が胸部であるマンモグラフィに応用されたシステム１を示す。音響変換装置４及び共通アンテナ１６は、好ましくは、胸部と音響変換装置４との間の整合媒体（matching medium）、例えば、オイル、整合ゲル（matching gel）又は可撓膜を介して、胸部を挟んで反対側に配置される。音響変換装置４は、２次元又は３次元で局所化された音響振動のナロービームを生成する。音響変換装置４及び共通アンテナ１６は、矢印Ａによって示すように、共に回転して、異なる方向から情報を取得し、これらを結合して、２次元画像スライスを導出することができる。矢印Ｂによって示すように、音響変換装置４及び共通アンテナ１６を上下に動かすことによって、このような複数の画像スライスを取得してもよい。
【００８１】
図８は、全身スキャナとして適用されたシステム１を示し、この場合、物体２は、人間の被験者の体である。システム１は、ベッド５０を備え、ベッド５０は、整合媒体５３を収容するバス５２の上面に支持された可撓膜５１を有する。被験者は、可撓膜５１上に横たわり、整合媒体５３の表面レベルより低い位置に沈み込む。音響変換装置４及び共通アンテナ１６は、バス５２の周囲を取り囲む回転可能なガントリ５４上で互いに反対側で支持され、これにより音響変換装置４及び共通アンテナ１６は、被験者を挟んで相対するように配置される。矢印Ｃ方向にガントリ５４を回転させることにより、異なる方向から情報を取得することができ、これらを組み合わせて、２次元画像スライスを導出することができる。矢印Ｂによって示す方向にガントリ５４を動かすことによって、複数のこのような画像スライスを取得することができる。
【００８２】
図９は、例えば、妊娠中の被験者をスキャンするために用いられる従来のタイプのハンドヘルド装置として音響変換装置４が実現されたシステム１を示している。この場合、共通アンテナ１６は、単に、被験者の下方、例えば、被験者が横たわるベッドの下方に配置され、音響変換装置４は、従来の手法で使用され、本発明に基づく画像及び従来の音響画像を同時に取得する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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